научная статья по теме ВАРИАЦИИ ПРИЗЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ Г. УЛАН-УДЭ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВАРИАЦИИ ПРИЗЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ Г. УЛАН-УДЭ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 4, с. 503-509

УДК 551.510.4

ВАРИАЦИИ ПРИЗЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ Г. УЛАН-УДЭ

© 2008 г. В. П. Бутуханов, Ю. Л. Ломухин

Бурятский научный цетр СО РАН 670047 Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8 E-mail: lom@ofpsrv.bsc.buryatia.ru Поступила в редакцию 06.02.2007 г., после доработки 14.12.2007 г.

Приведены результаты регулярных измерений приземной концентрации озона (ПКО) в г. Улан-Удэ за шесть лет наблюдений с 1999 по 2004 гг. Установлен максимум суточного хода ПКО в местный полдень. Обнаружено, что радиационный режим оказывает существенное влияние только на значения минимумов в сезонном ходе ПКО. Установлено, что главные максимумы ОСО и ПКО в сезонном ходе сдвинуты в среднем на три месяца (максимум ОСО достигается в конце марта, максимум ПКО - в июне).

ВВЕДЕНИЕ

Озон (03) относится к группе малых газовых составляющих атмосферы (МГС). Однако в силу его значительной окислительной способности и активного взаимодействия с солнечным ультрафиолетовым излучением озон играет большую роль в экологии, радиационных и динамических процессах в атмосфере. Например, фотохимические процессы в тропосфере с участием озона и ультрафиолетового излучения УФ-Б могут изменять состав нижней атмосферы [1].

Пространственное и временное распределение приземного озона в значительной степени определяется местными природно-климатическими условиями. Кроме этого, к фактору влияния на изменчивость приземного озона можно отнести солнечную активность и характеристики общей циркуляции атмосферы [2].

Целью настоящей работы является измерение приземной концентрации озона (ПКО) в атмосфере г. Улан-Удэ и анализ временной изменчивости в рядах наблюдений за период 1999-2004 гг.

Город Улан-Удэ расположен в межгорной впадине, которая представляет собой обширное понижение, вытянутое в широтном направлении и ограниченное с севера и юга хребтами Хамар-Дабан и Ганзуринский соответственно. Высотные отметки на территории города изменяются в пределах 500-950 м над ур. моря. Это преимущественно среднегорная область.

Характерным для климата исследуемого района является высокая повторяемость континентального воздуха умеренных широт (90%) и большое количество солнечных дней - 2472 ч в год. На климат Улан-Удэ в некоторой степени влияет близость водной поверхности Байкала, которая

сказывается на характере распределения облачности. В среднем за год антициклоническая циркуляция характерна для 53%, а циклоническая -для 47% общего числа дней.

АППАРАТУРА, МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

С целью автоматизации непрерывных, синхронных измерений концентраций озона и оксидов азота был создан измерительный комплекс регистрации и обработки концентраций газовых примесей. Средства измерений, входящие в состав автоматизированного комплекса и их основные технические характеристики, приведены в таблице.

Измерения концентраций озона [О3] проводились газоанализатором с использованием метода хемилюминесценции [3]. Датчиком люминесценции служит твердотельный сенсор на основе родамина В, интенсивность излучения которого зависит от концентрации озона. Замена датчика производилась 1 раз в три месяца по результатам проверки калибровки газоанализатора генератором озона модели 8500 фирмы Monitor Labs. Регулярная поверка газоанализаторов во ВНИИМ им. Менделеева (г. Санкт-Петербург) обеспечивала стабильную работу приборов.

Газоанализаторы, входящие в состав измерительного комплекса, сопряжены с информационно-вычислительной системой на базе компьютера IBM PC. Созданное унифицированное программное обеспечение для работы всего комплекса имеет Свидетельство Роспатента об официальной регистрации программы для ЭВМ [4].

Измерения газовых примесей в атмосфере г. Улан-Удэ проводились на стационарном пункте в здании научного центра на высоте 10 м от по-

Средства измерений и их основные технические характеристики

№№ п/п Измеряемое вещество Наименование измеряемой величины Тип средства измерения Диапазон измерения, мг/м3 Погрешность, % Чувствительность, мг/м3

1. no2 массовая концентрация, мг/м3 P-310-32 0-1 ±25 0.001

2. NO массовая концентрация, мг/м3 P-310-32 0-1 ±25 0.001

3. O3 массовая концентрация, мг/м3 3.02П1 0-0.5 ±15 0.001

по 2004 гг. в конкретное время суток были разложены в ряд Фурье по гармоникам годового хода:

рn(t) = ^Ak)cos [kш(t -tkn})] + residuals(t), (1)

к

где pn(t) - значения ПКО в день t и срок наблюдения n (n = 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 часов); A(kn) и t{kn) - амплитуда и фаза k-й гармоники для срока n соответственно, определяемые по методу наименьших квадратов; £ - символ суммы, ш = 2n/T, T = = 365.25 - угловая частота и период первой гармоники сезонного хода; residuals(t) - остатки сезонного хода.

Суммирование осуществлялось только по тем гармоникам, уровень статистической значимости которых был не менее 95%. Результаты восстановления периодической изменчивости ПКО с помощью разложения (1) представлены на рис. 1. Рисунок 2 иллюстрирует амплитудные и фазовые

Юлианские дни

Рис. 1. Сезонно-суточная изменчивость ПКО (мкг/м3) в Улан-Удэ за период с 1999 по 2004 гг.

верхности земли. Трубка пробоотборника была вынесена от стенки здания на расстояние 1.5 м.

Измерения и запись проводились непрерывно с шагом дискретизации 1 с, объемом выборки до 250000 значений с последующим осреднением за 1 ч.

После первичной обработки результаты измерений в формате Excel представляются как среднесуточные концентрации газовых примесей.

Измерения прерывались эпизодически по техническим причинам. Однако при коэффициенте заполнения, равном 93%, можно считать ряд наблюдений равномерно заполненным.

СЕЗОННЫЕ И СУТОЧНЫЕ ВАРИАЦИИ ПКО

Для определения сезонного и суточного хода ПКО ряды средних ежедневных значений с 1999

25

(а)

20

сл

Б "й м

12 15

18

21 А5

(б)

15

10

80 60 40 20 0

Время

12

суток, ч

15

18

21

РЪ5

РЬ4 РЪ3 РЬ2

Номер гармоники

л

и

^

н к ч к

щ

к

м

щ

м

со

0

^^ А2 А1

А4 А3 А2

200 180 160

140 §

со с«

Ф 100 «

м ^

л

м

со

5

Рис. 2. Амплитудные (а) и фазовые (б) соотношения в сезонном ходе значений ПКО в различные сроки наблюдения.

особенности сезонного хода ПКО в различные сроки наблюдения.

Можно заметить, что наибольшие концентрации озона наблюдаются в конце весны начале ле-

та, а наименьшие - поздней осенью и в начале зимы. Такой характер сезонного хода, как правило, отмечается и в других пунктах наблюдений [5]. Кроме содержания ПКО, для различных сроков был проанализирован сезонный ход среднесу-

17 г

15

к

513 м

о ч

н11

о и о

£ 9 &

с« И

м

^ 7 н 7

О

3

СКО суточного хода Контраст суточного хода

- 35%

45%

40%

а д

о

х

о г о н ч

А 30% 8

су

т с

Н 25% & нт

о Ко

20%

15%

1 янв. 2 март 1 май 30 июнь 29 авг. 28 окт. 27 дек.

31 янв. 1 апр. 31 май 30 июль 28 сент. 27 нояб.

Дни года

Рис. 3. Сезонный ход СКО и контраста внутрисуточной изменчивости ПКО за период с 1999 по 2004 гг.

80 70 60 50 40

О К с30

20 10

0

- - Максимальное значение

— Минимальное значение

_I_I_I_I_

250

200«

ь т с о н

150 ен

е

я

с о

е т

и р

50

0

1 янв. 1 март 1 май 1 июль 1 сент. 1 нояб. 1 янв.

1 февр. 1 апр. 1 июнь 1 авг. 1 окт. 1 дек.

Дни года

Рис. 4. Сезонный ход динамического диапазона суточной изменчивости ПКО и УФ-эритемной освещенности (жирная линия) за период 1999-2004 гг.

точных значений, среднеквадратичных отклонений (СКО), наибольших и наименьших значений ПКО, а также суточного контраста, определяемого соотношением:

У( г) =

Р шах( I ) - Р ш1п( I )

г шах (г) + Ршт( г)

(2)

где Ршах(г), ршт(г) - соответственно наибольшее и наименьшее значение ПКО в течение дня г. Представление о внутрисуточной изменчивости ПКО на протяжении года дают рис. 3 и 4.

Как и следовало ожидать, положения максимума и минимума СКО близки к положениям максимума и минимума контраста внутрисуточ-

5

100 а

42 г

и м Б

О «

С

и к м

•а V

м

со

40

38

36

34

32

и

§ 30

о и о и и м и и

28

26

24

9 12 15

Время суток, ч

18

21

24

Рис. 5. Среднегодовой суточный ход ПКО и среднеквадратичные погрешности его вычисления за период с 1999 по 2004 гг.

ных значений. Однако обращает на себя внимание тот факт, что в отдельные периоды года изменения СКО и контраста не совпадают. Так, например, в марте падение контраста обусловлено тем, что скорость увеличения максимальных значений ПКО значительно выше, чем скорость увеличения минимальных значений (см. рис. 4).

Форма суточного хода представлена на рис. 5. Так же, как в Москве [5] и Новосибирске [7] в суточном ходе ПКО в Улан-Удэ имеются по два максимума и минимума.Однако, если в названных мегаполисах максимумы расположены около 5 и 15 часов, а минимумы около 8 и 22 часов, в Улан-Удэ картина существенно иная. Максимумы, как видно из рис. 5, расположены около 0 и 13 часов местного времени, а минимумы около 3 часов и 21 часа. Смещение главного максимума к местному полудню в Улан-Удэ с большой долей вероятности можно объяснить доминирующим вкладом естественных причин суточной изменчивости по сравнению с антропогенными. Надежная диагностика причин существенных отличий характера изменчивости ПКО между Улан-Удэ и мегаполисами в темное время суток, по-видимому, требует дополнительного привлечения метеорологических данных. Во всяком случае, утверждение авторов [5] о том, что "... условия юго-западной части Москвы, удаленной от крупных локальных источников загрязнения, отражают общие закономерности изменчивости примесей в городской атмосфере", следует признать достоверным применительно лишь к мегаполисам.

Особенности вариаций суточного хода ПКО в летний период. Из рис. 3 и 4 видно, что в летний период с 1999 по 2004 гг. минимальные значения ПКО остаются практически неизменными. Это обстоятельство, как и относительно малая ширина максимума значений по сравнению с шириной

максимума УФ-эритемной освещенности1, свидетельствуют о том, что радиационный режим гораздо сильнее влияет на значение минимума суточного хода ПКО, нежели на значения его максимума. Объяснение этого факта предложено в [8, 9] и состоит в том, что сезонный максимум ПКО формируется с участ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком